車載高壓共軌柴油機燃油噴射系統(tǒng)控制策略分析(下)

◆文/江蘇 高惠民

(接上期)

(6)預噴射

通過在壓縮行程期間少量燃油(約1mg)的燃燒提高主噴射開始時刻汽缸內的壓力和溫度，能夠縮短主噴射的著火滯后期，這能降低燃燒產生的噪聲。但是，因為減少了預混合燃燒的燃油份額，同時增加了擴散燃燒的燃油量，以及提高了汽缸中的溫度，會使炭煙顆粒和NOx排放有所增加。另一方面，冷啟動和低負荷范圍內，較高的燃燒室溫度對穩(wěn)定燃燒，降低HC和CO排放是有利的。通過預噴射與主噴射之間間隔時間和預噴射油量的匹配，有利于根據運行工況點調整燃燒噪聲與NOx排放之間較好的折中。

(7)早后噴射

在共軌噴油系統(tǒng)中，后噴射能夠直接緊跟在主噴射后面實現連續(xù)的燃燒，使炭煙顆粒以這種方式后續(xù)燃燒，從而能使碳煙顆粒排放減少20%～70%。

(8)晚后噴射

晚后噴射的燃油并不參與燃燒，而是靠廢氣中的余熱汽化。這種后噴射位于主噴射之后的做功行程，或直至上止點后(OT后)200°KW(KW曲軸縮略語)的排氣行程，將精確計量的燃油噴入廢氣中，這種廢氣—燃油混合氣在排氣期間通過排氣門被輸往廢氣后處理裝置中。

晚后噴射主要為碳氫化合物在催化轉換器中的氧化反應提高廢氣溫度。這種措施用于連接廢氣后處理系統(tǒng)(顆粒捕集器或存儲式NOx催化轉換器)的再生。

因為這種晚后噴射會導致發(fā)動機機油被柴油稀釋，因此它們必須由發(fā)動機制造商來進行程序調整。

四、高壓共軌柴油發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)的過量空氣系數λ調節(jié)

以上所述的高壓共軌柴油發(fā)動機噴油量控制，除了怠速轉速有轉速反饋，使發(fā)動機轉速穩(wěn)定在目標怠速上的閉環(huán)調節(jié)外，其余工況都是根據傳感器輸入信號，查MAP圖得到噴油器可執(zhí)行的噴油脈寬。這種噴油量的確定和調節(jié)只是屬于開環(huán)控制。但是隨著車載柴油發(fā)動機排放法規(guī)的限值越來越嚴厲，特別是轎車用的高壓共軌柴油發(fā)動機，除了優(yōu)化發(fā)動機燃燒之外，對廢氣排放具有重要意義的反饋控制功能變得越來越重要，其中實施過量空氣系數λ調節(jié)為柴油發(fā)動機減小排放提供了有效措施。

圖12 轎車柴油發(fā)動機λ調節(jié)系統(tǒng)圖

應用λ調節(jié)的噴油閉環(huán)控制，是采用安裝在排氣管道中的寬帶式氧傳感器(圖12)，測量廢氣中的氧濃度，此氧濃度與進氣系統(tǒng)中新鮮空氣氧濃度(約21%)比較得到一個偏差值，用這個偏差值使發(fā)動機學習到在每個工況點的空燃比(過量空氣系數λ)修正值，并且應用到噴油量平均值的調節(jié)過程中，控制發(fā)動機燃燒達到目標空燃比，這就是利用氧傳感器的信號調節(jié)噴油量平均值的自適應功能。

1.基于λ調節(jié)的廢氣再循環(huán)

從柴油發(fā)動機燃燒分析，是屬于過量空氣下的高速、高溫、高壓燃燒。而且混合氣λ值要比汽油機大，增壓柴油發(fā)動機全負荷時的λ=1.15～2.0，怠速和空負荷運行時提高到10。因此，混合氣燃燒時過量空氣中的氮在高溫下氧化生成NOx，成為柴油發(fā)動機的主要排放物之一。通過廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)將廢氣回引到進氣管中與新鮮進氣混合后充入汽缸, 可以降低進氣中的氧濃度, 并且由于混合氣的比熱容增大使缸內燃燒的峰值溫度降低, 從而可以有效抑制NOx生成。

噴油量平均值自適應功能為對廢氣調節(jié)回路中的EGR率形成提供一個精確的噴油量信號。而且EGR的修正對廢氣排放具有重大影響。噴油量平均值自適應功能在低速部分負荷范圍內工作，它查明對所有汽缸平均的噴油量偏差。圖13示出了噴油量平均值自適應功能的基本原理。

圖13 噴油量平均值自適應功能的基本流程原理圖

用氧傳感器和空氣流量計信號計算實際噴油質量，并與噴油量額定值進行比較，兩者的差值被存儲在自適應特性曲線場中規(guī)定的“學習點”上，從而確保發(fā)動機即使在動態(tài)運行工況變化的情況下也能確定運行工況點特有的噴油修正量。這些修正量被存儲在ECU的EEPROM中，在發(fā)動機啟動時立即就可提供使用。

2.全負荷煙度限制

圖14示出了采用氧傳感器限制全負荷煙度功能的調節(jié)流程原理圖。該功能的目標是控制不超過所規(guī)定碳煙顆粒排放值的最大噴油量。

圖14 λ調節(jié)限制全負荷煙度的基本流程原理圖

用空氣流量計和發(fā)動機轉速傳感器的信號計算出整個煙度極限值特性曲線場中的λ額定值(λsoll)。再用該值與實時進氣流量一起計算出最大噴油量的預調值。λ調節(jié)作用就是由λ額定值(λsoll)與λ實際值(λist)的差值計算出一個修正噴油量，預調噴油量與修正噴油量之和就是精確的全負荷最大噴油量。這種通過預調節(jié)再疊加λ調節(jié)，可以改善調節(jié)精度，達到良好的動態(tài)性能。

3.非正常燃燒的識別

借助氧傳感器信號能在汽車行駛中識別非正常燃燒，即當氧傳感器的信號低于規(guī)定的計算閾值時，發(fā)動機ECU判斷為非正常燃燒，這時通過關閉節(jié)氣門和EGR閥而停機。這種非正常燃燒的識別是發(fā)動機的一種附加安全保護功能。

4.λ調節(jié)的影響

應用這種基于λ調節(jié)的廢氣再循環(huán)，能大大降低因制造誤差或部件老化而使功能變化造成汽車廢氣排放的離散度，為此應用噴油量平均值的自適應功能。

此外，使用λ閉環(huán)調節(jié)能精確控制全負荷的碳煙顆粒排放，并能檢測到發(fā)動機非正常燃燒。除此之外，氧傳感器高精度的信號，使得λ調節(jié)應用在NOx催化轉化器再生過程中。

五、故障案例

1.故障現象

一輛2007款豐田考斯特輕型客車，車型XZB53L，裝備N04C共軌帶渦輪增壓柴油發(fā)動機，客戶報修車輛最高車速只能達到110km/h，而其公司同型車輛能達到120km/h以上。經銷店對車輛進行檢查，并未發(fā)現明顯異常，推測為供油泵故障，更換供油泵總成后，但故障未排除，故請求筆者技術支援。

2.故障診斷

筆者接車后，試車確認故障。該車在高速公路上以5擋行駛中，將油門踏板踩到底，最高車速只能達到110km/h(車速表顯示的車速)。而該車在110km以下行駛無加速不良以及行駛異響等異常現象，排氣管不冒黑煙。用故障診斷儀檢測，無故障代碼儲存。將故障車電控燃油噴射系統(tǒng)數據流(圖15)與正常車電控燃油噴射系統(tǒng)數據流(圖16)對比進行分析，發(fā)現兩點異常。

圖15 故障車電控燃油噴射動態(tài)數據流

圖16 正常車電控燃油噴射動態(tài)數據流

(1)將油門踩到底以5擋行駛時，故障車車速最高只能達到108km/h，發(fā)動機最高轉速3 142r/min。正常車車速最高可以達到120km/h，發(fā)動機最高轉速可達到3 400r/min。

(2)將油門踩到底以5擋行駛時，故障車進氣壓力(MAP)先上升到200kPa，約36秒后降到142kPa。而正常車進氣壓力(MAP)也是先上升到200 kPa，隨后降到182kPa便保持住了。

根據檢查的動態(tài)數據流分析，推測故障車在高速運行時發(fā)動機進氣壓力無法維持，判斷可能有以下原因，并進行了相關檢查：

①參照維修手冊檢查渦輪增壓壓力，停車狀態(tài)下，油門踩到底，發(fā)動機轉速3 600r/min時，渦輪增壓力瞬間上升到70kPa，隨后立即下降，正常。

②使用SST檢查渦輪增壓旁通閥作動狀態(tài)，在施加114kPa時，旁通閥推桿移動，正常。

③檢查空氣濾清芯是否堵塞或吸癟，未發(fā)現異常。

④檢查渦輪增壓器到進氣歧管之間的進氣管(高壓側管路)無漏氣。

⑤檢查空氣濾清器到渦輪增壓器之間的進氣管(低壓側管路)，發(fā)動機轉速達到3 100r/min以上時，低壓側進氣管的前端部(橡膠部)發(fā)生凹陷(圖17)。3 100r/min以下沒有問題。

⑥拔掉進氣管路試，該車能輕松加速到120km/h以上。

通過以上檢查可以判斷，該車由于低壓側進氣管的前端橡膠材料不良，導致發(fā)動機高負荷狀態(tài)運轉時被吸癟，阻礙了吸入空氣的流量，從而導致發(fā)動機加速不良。

圖17 進氣管被吸癟的狀態(tài)

3.故障排除

更換進氣管(圖18)后試車，該車加速一切正常，故障排除。

圖18 故障車進氣管

六、結論

高壓共軌電控柴油發(fā)動機的負荷調節(jié)采用“質”調節(jié)，基本噴油量是發(fā)動機轉速和油門踏板位置開度信號的函數，而為限制全負荷碳煙顆粒排放超標，發(fā)動機的最大噴油量是依靠發(fā)動機吸入的空氣質量或進氣壓力等信號進行校正。

在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)中，除了燃油噴射系統(tǒng)之外，影響汽缸充量(即進氣門關閉后汽缸中的混合氣，它由吸入的新鮮空氣和上個循環(huán)燃燒的殘余廢氣組成)的進氣系統(tǒng)同樣也具有特別重要意義。它的作用起到凈化吸入的空氣，保障汽缸充量的運動、密度和成分，是決定發(fā)動機輸出轉矩和功率以及廢氣成分的重要參數。上述的豐田考斯特輕型客車最高車速受到限制的故障就是一個進氣管道受到阻礙，造成進氣壓力下降而達不到目標噴油量的影響。

（全文完）